斑马鱼表皮细胞的惊人分裂：无需DNA扩增的新突破

撰文 | 我的闺蜜老红帽

动物在生长发育过程中表皮细胞也在不断扩张，用以覆盖新长的身体【1,2】。脊椎动物的表皮呈现多层结构，小鼠和斑马鱼相关工作均指出，表皮基底层含有并持续产生大量基底上皮细胞（basal epithelial cells），基底膜上层上皮细胞（suprabasal epithelial cells）以及浅表上皮细胞（superficial epithelial cells）【3,4】。当然，小鼠和斑马鱼表皮最大的区别在于斑马鱼没有角质层，其最外层为高度分化的上皮细胞，外面还包裹薄薄一层粘液【5】。这一特殊性为实时动态研究动物表皮如何扩张增殖提供了良好的条件【6-8】。

2022年4月27日，来自中国台湾地区科学院有机生物学与细胞研究所的Chen-Hui Chen研究组在Nature上发表题为Skin cells undergo asynthetic fission to expand body surfaces in zebrafish的文章，突破性的发现了斑马鱼表皮扩张的规律——无需DNA扩增的细胞分裂。

为了实时动态研究斑马鱼表皮上皮细胞的形态和尺寸变化，作者通过细胞膜标记技术展示了细胞间的边界，并且构建了上皮细胞的多色展示系统，这一系统可以显示横跨红-绿-蓝的60余种色调，并且可以清晰显示微桥这一浅表上皮细胞特有结构。

通过上述方法，作者发现斑马鱼幼鱼无论是长度还是体表面积均飞速增长，24小时分别增长10%和22%。值得一提的是，浅表上皮细胞数目增长了21%。并且，因为新增细胞通常与周边细胞颜色相同，这说明这些细胞基本上是单细胞克隆而来。另外，斑马鱼头部上皮细胞增殖快于尾部。尽管斑马鱼表面积以及浅表上皮细胞的数目明显增加，但是单个细胞的顶面面积反而有6%左右的减少。

接下来，作者通过实时成像技术每15分钟拍摄一次，研究斑马鱼上皮细胞的分裂情况。作者发现，进行分裂的基本上均为浅表上皮细胞，而基底上皮细胞和基底膜上层上皮细胞分裂较少。作者还发现，终其一生，每个浅表上皮细胞可以分裂两次，形成4个子代细胞。

再下来，作者研究斑马鱼幼鱼的具体分裂模式。作者通过EdU染色发现，在观察时程14天内，基底上皮细胞1.3～4.7%呈EdU阳性，也就是发生DNA复制。而基本上没有浅表上皮细胞呈EdU阳性。并且，DNA复制抑制剂HU完全不能抑制浅表上皮细胞增殖。如果体细胞增殖而DNA没有进行复制，那么就会出现子代细胞基因组减半的情况。作者通过DAPI染色发现浅表上皮细胞的子代和孙代基因组分别减少34%和60%。与此同时，组蛋白水平和细胞大小也下降。作者将这种在斑马鱼发育过程中实时发生的分裂方式定义为非合成分裂（asynthetic fission）。

基因组异常的体细胞通常会凋亡或者具有特别的生理学功能，作者研究经历非合成裂变的斑马鱼浅表上皮细胞是否具有特别的功能。作者发现，斑马鱼出生后14天，表皮扩增速率达到峰值，这与非合成裂变峰值时间吻合。作者认为，非合成裂变可能是一类节省资源的机制，可以在斑马鱼快速生长时期，用尽可能短的时间产生上皮细胞从而覆盖更大的表面积。

最后，作者研究非合成裂变是否具有普适性。作者将斑马鱼置于不同密度环境之中（高密度每2ml水一只鱼，中密度每20ml，低密度每200ml）。作者发现，斑马鱼密度越低，浅表上皮细胞增殖水平越高。

综上所述，作者通过多色细胞膜标记系统实时检测斑马鱼幼鱼时期浅表上皮细胞分裂情况。作者发现，在斑马鱼高速生长时期，浅表上皮细胞也高速增殖，一枚细胞最多可以分裂两次，形成四枚子代细胞，并且，在浅表上皮细胞分裂时，DNA并不发生扩增，作者将这类细胞增殖方式定义为“非合成分裂”。

参考文献：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04641-0

制版人：十一

参考文献

1. Tai, K., Cockburn, K. & Greco, V. Flexibility sustains epithelial tissue homeostasis. Curr. Opin. Cell Biol. 60, 84–91 (2019).

2. Dekoninck, S. et al. Defining the design principles of skin epidermis postnatal growth. Cell 181, 604–620 (2020).

3. Gonzales, K. A. U. & Fuchs, E. Skin and its regenerative powers: an alliance between stem cells and their niche. Dev. Cell 43, 387–401 (2017).

4. Lee, R. T., Asharani, P. V. & Carney, T. J. Basal keratinocytes contribute to all strata of the adult zebrafish epidermis. PLoS ONE 9, e84858 (2014).

5. Rakers, S. et al. Antimicrobial peptides (AMPs) from fish epidermis: perspectives for investigative dermatology. J. Invest. Dermatol. 133, 1140–1149 (2013).

6. Jones, K. B. et al. Quantitative clonal analysis and single-cell transcriptomics reveal division kinetics, hierarchy, and fate of oral epithelial progenitor cells. Cell Stem Cell 24, 183–192 (2019).

7. Jones, K. B. & Klein, O. D. Oral epithelial stem cells in tissue maintenance and disease: the first steps in a long journey. Int. J. Oral Sci. 5, 121–129 (2013).

8. Chen, C. H. et al. Multicolor cell barcoding technology for long-term surveillance of epithelial regeneration in zebrafish. Dev. Cell 36, 668–680 (2016).

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